Un equipo de científicos de la Universidad de Waseda, la Agencia Japonesa de Ciencia y Tecnología, y la Universidad de Auckland han desarrollado un Sistema de electrodinámica cuántica (QED) de cavidades acopladas totalmente de fibra en el que una porción de un metro de fibra óptica convencional conecta de manera uniforme y coherente dos sistemas QED de cavidad de nanofibras.

"Este tipo de sistema puede permitir la computación cuántica, libre de la potencia computacional limitada que experimentan los sistemas hoy en día, y redes cuánticas que transfieren y procesan información cuántica generada por computadoras cuánticas, "dice Takao Aoki, profesor de física aplicada en la Universidad de Waseda y líder del equipo de investigación. "En el futuro, tal tecnología de ciencia de la información cuántica puede ayudar a proporcionar avances que pueden cambiar nuestra sociedad drásticamente, como los descubrimientos de nuevos materiales y fármacos ".

El estudio del equipo fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza el 11 de marzo 2019.

Un sistema QED de cavidad es un sistema en el que los fotones (cuantos elementales de luz) y los átomos están confinados dentro de un resonador óptico e interactúan entre sí de una manera mecánica cuántica. Este sistema ha sido una plataforma experimental prototípica para ayudar a los científicos a comprender y manipular mejor las propiedades cuánticas de los fotones y átomos. como lo destacó la concesión del Premio Nobel en 2012 al físico Serge Haroche por sus 'métodos experimentales innovadores que permiten medir y manipular sistemas cuánticos individuales'. Como consecuencia, Ha aumentado la expectativa de que los sistemas QED de cavidades se den cuenta de la tecnología de la ciencia de la información cuántica.

Para realizar tal tecnología, integrando múltiples sistemas QED de cavidades con coherencia, era necesario un acoplamiento reversible entre cada sistema, pero obtener tal acoplamiento con una eficiencia suficientemente alta ha hecho que esto sea muy desafiante. Aoki y su equipo abordaron este problema mediante la demostración de un sistema que consta de dos sistemas QED de cavidad de nanofibras conectados entre sí en una forma totalmente de fibra.

"En cada cavidad, un conjunto de varias decenas de átomos interactúa con el campo de la cavidad a través del campo evanescente de una nanofibra, Ambos extremos están conectados a fibras ópticas estándar a través de regiones ahusadas e intercalados por un par de espejos de rejilla de fibra de Bragg, "Aoki explica." Múltiples resonadores se pueden conectar con pérdidas mínimas usando adicionales, fibra óptica estándar, haciendo coherente, Es posible la dinámica acoplada de los dos sistemas QED de cavidad de nanofibras ".

Esto permitió al equipo observar una interacción reversible entre átomos y fotones deslocalizados separados por distancias sin precedentes de hasta dos metros. una primicia en cualquier sistema óptico cuántico de este tipo.

Aoki dice, "Nuestro logro es un paso importante hacia la implementación física de la computación cuántica distribuida basada en QED de cavidad y una red cuántica, donde un gran número de sistemas QED de cavidad están conectados coherentemente por canales de fibra de baja pérdida. En tales sistemas, el entrelazamiento cuántico en toda la red se puede crear de forma determinista, en lugar de probabilísticamente ".

Su sistema también allana el camino para el estudio de la física de muchos cuerpos (el comportamiento colectivo de partículas que interactúan en grandes cantidades) con átomos y fotones en una red de sistemas QED de cavidades. incluyendo fenómenos como las transiciones de fase cuántica de la luz.

El equipo ahora está realizando mejoras técnicas en la configuración para extender su trabajo a la construcción de una red de fibra de acoplamiento coherente, sistemas QED de cavidad de un solo átomo. Esto incluye la reducción de pérdidas incontroladas en las cavidades, estabilización activa de las frecuencias de resonancia de la cavidad, y extensión de la vida útil de los átomos en las trampas que los mantienen cerca de las nanofibras.